一種電梯超級(jí)電容試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

王 葵，林進(jìn)展，代清友

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣州 528251）

0 引言

隨著我國城市化水平的提升，高樓大廈如雨后春筍般拔地而起，作為高樓非常重要的垂直交通工具，電梯的數(shù)量也在飛速的增長。電梯在給人們出行帶來巨大便利的同時(shí)，其造成的能耗對社會(huì)發(fā)展也造成了一定的負(fù)面影響。

最常用的曳引式電梯有轎廂和對重，兩者通過鋼絲繩連接，通過曳引輪的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)兩者的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于對重比空載的轎廂重，在運(yùn)行時(shí)，在啟動(dòng)加速、重載上行和輕載下行階段處于耗電狀態(tài)，在減速制動(dòng)、重載下行和輕載上行階段處于發(fā)電狀態(tài)。在未安裝相應(yīng)節(jié)能裝置的情況下，電梯發(fā)電狀態(tài)的電能會(huì)被制動(dòng)電阻或者其他方式消耗掉。這不僅增加了電能的浪費(fèi)，而且消耗掉的電能變成熱量，造成機(jī)房內(nèi)溫度的升高，影響電梯的使用環(huán)境[1]。

超級(jí)電容相比于其他儲(chǔ)能單元，具有循環(huán)壽命長、功率密度大、充放電速度快和效率高的優(yōu)點(diǎn)[2-5]。超級(jí)電容和電梯變頻器直流母線連接。當(dāng)電梯處于發(fā)電狀態(tài)，直流母線的電壓超過超級(jí)電容的啟動(dòng)電壓時(shí)，超級(jí)電容開始充電，儲(chǔ)存電梯所發(fā)的電能。當(dāng)電梯處于耗電狀態(tài)時(shí)，超級(jí)電容處于放電狀態(tài)，為電梯運(yùn)行提供電能。部分超級(jí)電容還可以在停電狀態(tài)為電梯提供應(yīng)急電源[6-12]。

超級(jí)電容在電梯節(jié)能中發(fā)揮著越來越重要的作用，然而國內(nèi)并未發(fā)布電梯超級(jí)電容相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，沒有專門的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，這也影響了超級(jí)電容的大規(guī)模應(yīng)用。針對以上問題，本文開發(fā)了一種電梯超級(jí)電容試驗(yàn)裝置，在試驗(yàn)室可以完成超級(jí)的所有試驗(yàn)項(xiàng)目，促進(jìn)電梯超級(jí)電容技術(shù)的發(fā)展。

1 裝置的結(jié)構(gòu)

儀器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，試驗(yàn)裝置包括上位機(jī)、采集卡、直流電子負(fù)載、直流電源、接觸器、電信號(hào)采集模塊。直流電源采用可編程直流電源，通過RS232 通信方式和上位機(jī)連接通信，可以輸出電壓、電流和功率可變的直流電。直流電子負(fù)載采用可編程直流電子負(fù)載，通過RS232 通信方式和上位機(jī)連接通信，可以控制輸入的電壓、電流和功率。采集卡通過USB 和上位機(jī)連接，具有豐富的I∕O 口和模擬輸入口。采集卡和電信號(hào)采集模塊、接觸器連接，實(shí)現(xiàn)充放電電路電信號(hào)的采集和通斷控制。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)原理

如圖2 所示，霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器分別連接到采集卡的兩個(gè)模擬輸入口，采集充放電電路中的電壓和電流信號(hào)，通過采集卡處理后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，從而實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容相關(guān)參數(shù)的測量。

圖2 電信號(hào)采集模塊

如圖3 所示，接觸器電路的一端和220 V 的電源連接，一端和光耦輸出端的一端連接。光耦輸出端的另一端和電源連接，從而電源、接觸器和光耦的輸出端形成電回路。光耦輸入端的一端和采集卡的I∕O 口連接，另一端通過一個(gè)電阻和采集卡的地端口連接，從而采集卡和光輸入端、電阻形成另一個(gè)電回路。

圖3 接觸器電路

開啟電源，當(dāng)采集卡I∕O 口的輸出為高電平時(shí)，光耦輸入端電路導(dǎo)通，光耦的輸出端電路同時(shí)導(dǎo)通，接觸器處于吸合狀態(tài)。接觸器吸合后，接觸器控制的充放電電路也導(dǎo)通，被測超級(jí)電容開始充放電。當(dāng)采集卡I∕O口的輸出為低電平時(shí)，光耦輸入端電路斷開，光耦的輸出端電路同時(shí)斷開，接觸器處于釋放狀態(tài)。接觸器釋放后，接觸器控制的充放電電路斷開，被測超級(jí)電容停止充放電。

2 儀器檢測原理

2.1 性能指標(biāo)的檢測

2.1.1 充放電效率

超級(jí)電容充放電的效率通過下式計(jì)算得到：

式中：η為超級(jí)電容充放電效率；Eout為超級(jí)容器放出的能量；Ein為超級(jí)容器充入的能量。

啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，首先接通放電電路，斷開充電電路，采用恒流放電方式將超級(jí)電容的電能全部放掉。然后接通充電電路，斷開放電電路，超級(jí)電容充滿后，接通放電電路，斷開充電電路，采用恒流放電方式將超級(jí)電容的電能全部放掉。采用電信號(hào)采集模塊記錄超級(jí)電容充放電過程中的電壓和電流，通過計(jì)算得到充電過程中的能量和放電過程中的能量，最終得到超級(jí)電容的充放電效率。

2.1.2 容量

超級(jí)電容容量通過下式計(jì)算得到：

式中：C為超級(jí)電容的容量；i為充放電電流；t為充放電時(shí)間；Umax為試驗(yàn)最高電壓；Umin為試驗(yàn)最低電壓。

首先，對超級(jí)電容進(jìn)行放電，使其電壓達(dá)到試驗(yàn)最低電壓Umin，然后以電流值i進(jìn)行恒電流充電。當(dāng)超級(jí)電容電壓達(dá)到Umax時(shí)，停止充電10 s。然后再以電流值i進(jìn)行恒電流放電，直到超級(jí)電容電壓達(dá)到Umin時(shí)，停止放電10 s。完成以上5個(gè)充放電循環(huán)，讀取后面3次充放電循環(huán)的數(shù)據(jù)。通過計(jì)算每一次充電或者放電過程中的超級(jí)電容容量值，進(jìn)一步得到平均值，即為超級(jí)電容的容量。

2.1.3 能量密度

質(zhì)量能量密度通過下式計(jì)算得到：

式中：ρM為超級(jí)電容的質(zhì)量能量密度；Emax為超級(jí)電容最大儲(chǔ)存能量；M為電容器的質(zhì)量。

體積能量密度通過下式計(jì)算得到：

式中：ρM為超級(jí)電容的體積能量密度；Emax為超級(jí)電容最大儲(chǔ)存能量；V為超級(jí)電容的體積。

在進(jìn)行充放電效率試驗(yàn)中，測得的Eout即為超級(jí)電容的最大儲(chǔ)存能量Emax，通過查找超級(jí)電容的參數(shù)，得到超級(jí)電容的質(zhì)量和體積數(shù)據(jù)，計(jì)算得到超級(jí)電容的能量密度。

2.2 性能功能

啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，被測超級(jí)電容正常工作，通過模擬相應(yīng)的工況和故障狀態(tài)，測試超級(jí)電容的性能。

（1）循環(huán)壽命

通過模擬超級(jí)電容在電梯運(yùn)行中的不同溫度、不同充電狀態(tài)及其他壓力條件的工況下，對超級(jí)電容進(jìn)行長期往復(fù)的充放電試驗(yàn)，測試超級(jí)電容的性能變化。

（2）溫度特性

將超級(jí)電容置于溫度試驗(yàn)箱內(nèi)，在不同的溫度下試驗(yàn)超級(jí)電容的穩(wěn)定性。.

（3）短路保護(hù)

將超級(jí)電容進(jìn)行短路，然后開啟試驗(yàn)裝置，觀察超級(jí)電容是否停止工作，并且不損壞。

（4）斷路保護(hù)

將超級(jí)電容進(jìn)行短斷路，然后開啟試驗(yàn)裝置，觀察超級(jí)電容是否停止工作，并且不損壞。

3 測量儀器技術(shù)方案

在進(jìn)行電梯超級(jí)電容進(jìn)行充電時(shí)，需要向超級(jí)電容提供恒壓、恒流、恒功率或者模擬電梯運(yùn)行過程中變頻器直流母線變化的直流電源裝置，用以完成超級(jí)電容充電過程中相關(guān)參數(shù)和性能的檢測。

通過對市場上裝配超級(jí)電容的電梯進(jìn)行調(diào)研，考慮到超高速和超大載重的電梯銷量比較少，市場上裝配超級(jí)電容的電梯的功率一般不超過20 kW。本文設(shè)計(jì)的超級(jí)電容試驗(yàn)裝置安裝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，考慮試驗(yàn)室的供電容量，試驗(yàn)的超級(jí)電容的最大功率設(shè)定為20 kW。

如圖4 所示，直流電源采用艾德克斯電子公司的型號(hào)為IT6036D-1500-80 型大功率可編程直流電子負(fù)載。最大功率達(dá)到36 kW，額定電壓為1 500 V，額定電流為80 A，電壓分辨率達(dá)到0.1 V，電流分辨率達(dá)到0.01 A，內(nèi)置RS232接口。

圖4 可編程直流電源

在進(jìn)行超級(jí)電容充電的試驗(yàn)過程中，根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)置恒壓、恒流或者恒功率充電模式，設(shè)定試驗(yàn)要求的電壓、電流和功率參數(shù)。試驗(yàn)開始后，直流電源輸出的電能逐步達(dá)到試驗(yàn)要求的參數(shù)。當(dāng)輸出電能充電電壓達(dá)到超級(jí)電容的啟動(dòng)電壓后，超級(jí)電容開始啟動(dòng)，直到達(dá)到設(shè)定的參數(shù)后，超級(jí)電容進(jìn)行試驗(yàn)要求的充電過程。

直流電子負(fù)載用于電梯超級(jí)電容的放電過程，通過恒流、恒功率或者模擬電梯運(yùn)行過程中發(fā)電工況等模式消耗超級(jí)電容儲(chǔ)存的電能，用以完成超級(jí)電容放電過程中相關(guān)參數(shù)和性能的檢測。

如圖5 所示，直流電源采用艾德克斯電子公司的型號(hào)為IT8924A-1200-960 型大功率可編程直流電源。最大功率達(dá)到24 kW，最大電壓為1 200 V，最大電流為960 A，電壓分辨率達(dá)到1 mV，電流分辨率達(dá)到1 mA，內(nèi)置RS232接口。

圖5 可編程直流電子負(fù)載

在進(jìn)行超級(jí)電容放電試驗(yàn)中，根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)置恒壓、恒流或者恒功率放電模式，設(shè)定試驗(yàn)要求的電壓、電流和功率參數(shù)。試驗(yàn)開始后，超級(jí)電容按照直流電子負(fù)載設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行放電，直到試驗(yàn)結(jié)束。

采集卡采集2 路霍爾電壓傳感器和2 路霍爾傳感器的電壓模擬信號(hào)，并且通過控制接觸器電路的通斷實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容充放電電路的通斷。這就需要采集卡具有多路模擬輸入通道和數(shù)字I∕O 通道，能夠通過常用的通信接口和上位機(jī)進(jìn)行通信。

如圖6 所示，采集卡采用NI公司的型號(hào)為NI USB-6001 型數(shù)據(jù)采集卡。該型號(hào)采集卡擁有8通道14位模擬輸入通道，并可作為4 位差分輸入；其采樣頻率達(dá)到20 kS∕s，保 證 了 在 超 級(jí)電容充放電過程中能夠準(zhǔn)確地采集電路中各電信號(hào)模擬量。采集卡還有13 雙向I∕O 通道，能夠輸出數(shù)字信號(hào)，控制測試電路中接觸器動(dòng)作。采集卡通過USB 接口形式和上位機(jī)通信，通用性強(qiáng)。

圖6 采集卡

作為NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡，NI USB-6001 型數(shù)據(jù)采集卡可以與該公司的LabVIEW 編程軟件完美兼容，輕松上手。

從分析可以看出，NI USB-6001 型數(shù)據(jù)采集卡能夠勝任本裝置對充放電電路電信號(hào)數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，能夠控制接觸器電路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對接觸器動(dòng)作的控制。

超接電容的充放電電路都是直流電，同時(shí)考慮到安裝的方便，故采用霍爾電流傳感器。測試過程中，將被測的導(dǎo)線直接穿過霍爾傳感器。如圖7 所示，霍爾電流傳感器采用上海某公司的型號(hào)為FXBY35 的霍爾電流傳感器。該傳感器電流量程達(dá)到0～1 000 A，輸出信號(hào)為模擬電壓0～10 V。

圖7 霍爾電流傳感器

超級(jí)電容充放電電路的電壓較高，通過采用霍爾電壓傳感器，將較高的電壓轉(zhuǎn)化為較低電壓的模擬信號(hào)，便于采集卡讀取。如圖8 所示，霍爾電壓傳感器采用德昌電氣有限公司的型號(hào)為MTVA601的電壓傳感器，可測電壓范圍達(dá)到0～15 000 V，輸出±5 V模擬信號(hào)。測試過程中，將霍爾電壓傳感器串聯(lián)到被測電路中。

圖8 霍爾電壓傳感器

綜上所述，本裝置可完成額定功率為20 kW 的超級(jí)電容的試驗(yàn)，基本滿足市場上常規(guī)超級(jí)電容的試驗(yàn)要求。

4 結(jié)束語

（1）該試驗(yàn)裝置可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成電梯超級(jí)電容的相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目，無需安裝到現(xiàn)場電梯上進(jìn)行試驗(yàn)，簡化了試驗(yàn)流程，降低了試驗(yàn)成本。

（2）該試驗(yàn)裝置模擬電梯超級(jí)電容的運(yùn)行工況，完成超級(jí)電容相關(guān)性能指標(biāo)的試驗(yàn)，可以提高超級(jí)電容試驗(yàn)質(zhì)量。

（3）該試驗(yàn)裝置的研發(fā)可以對電梯超級(jí)電容的性能指標(biāo)進(jìn)行更深入地試驗(yàn)研究，對促進(jìn)電梯超級(jí)電容產(chǎn)品技術(shù)和檢測技術(shù)發(fā)展都具有十分重要的意義。

（4）該試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理簡單，界面操作友好，便于產(chǎn)品的進(jìn)一步市場推廣。

（5）該試驗(yàn)平提高了電梯行業(yè)的科技和裝備水平，對提升電梯節(jié)能水平、促進(jìn)我國低碳環(huán)保社會(huì)的建設(shè)具有積極的推動(dòng)作用。